Lernziele
- Definieren Sie die Fermentation und erklären Sie, warum sie keinen Sauerstoff benötigt
- Beschreiben Sie die Fermentationswege und ihre Endprodukte und geben Sie Beispiele von Mikroorganismen, die diese Wege nutzen
- Vergleiche und stelle Fermentation und anaerobe Atmung gegenüber
Viele Zellen sind aufgrund einer oder mehrerer der folgenden Umstände nicht in der Lage, zu atmen:
- Der Zelle fehlt eine ausreichende Menge eines geeigneten, anorganischen Endelektronenakzeptors, um die Zellatmung durchzuführen.
- Der Zelle fehlen Gene zur Herstellung geeigneter Komplexe und Elektronenträger im Elektronentransportsystem.
- Der Zelle fehlen Gene zur Herstellung eines oder mehrerer Enzyme im Krebszyklus.
Während das Fehlen eines geeigneten anorganischen Endelektronenakzeptors umweltabhängig ist, sind die beiden anderen Bedingungen genetisch bedingt. So sind viele Prokaryonten, darunter auch Mitglieder der klinisch wichtigen Gattung Streptococcus, dauerhaft nicht in der Lage zu atmen, auch nicht in Gegenwart von Sauerstoff. Umgekehrt sind viele Prokaryonten fakultativ, d. h., wenn sich die Umweltbedingungen ändern und ein geeigneter anorganischer Endelektronenakzeptor für die Atmung zur Verfügung steht, schalten Organismen, die alle dafür erforderlichen Gene besitzen, auf Zellatmung für den Glukosestoffwechsel um, da die Atmung eine viel größere ATP-Produktion pro Glukosemolekül ermöglicht.
Wenn die Atmung nicht stattfindet, muss NADH zu NAD+ reoxidiert werden, um als Elektronenüberträger für die Glykolyse, den einzigen Mechanismus der Zelle zur ATP-Produktion, wiederverwendet werden zu können. Einige lebende Systeme verwenden ein organisches Molekül (in der Regel Pyruvat) als endgültigen Elektronenakzeptor durch einen Prozess, der Fermentation genannt wird. An der Fermentation ist kein Elektronentransportsystem beteiligt, und es wird kein zusätzliches ATP erzeugt, das über das hinausgeht, das während der Glykolyse durch Phosphorylierung auf Substratebene erzeugt wird. Organismen, die eine Fermentation durchführen, sogenannte Fermenter, produzieren maximal zwei ATP-Moleküle pro Glukose während der Glykolyse. Tabelle 1 vergleicht die endgültigen Elektronenakzeptoren und Methoden der ATP-Synthese bei der aeroben Atmung, der anaeroben Atmung und der Fermentation. Beachten Sie, dass die für die Glykolyse angegebene Anzahl von ATP-Molekülen den Embden-Meyerhof-Parnas-Weg voraussetzt. Die Anzahl der ATP-Moleküle, die durch Phosphorylierung auf Substratebene (SLP) bzw. oxidative Phosphorylierung (OP) gebildet werden, ist angegeben.
| Tabelle 1. Vergleich von Respiration und Fermentation | ||||
|---|---|---|---|---|
| Stoffwechseltyp | Beispiel | End-Elektronenakzeptor | Bei der ATP-Synthese beteiligte Wege (Phosphorylierungstyp) | Maximaler ATP-Ertrag Moleküle |
| Aerobische Atmung | Pseudomonas aeruginosa | {\text{O}}_{2} |
EMP-Glykolyse (SLP) Krebszyklus (SLP) Elektronentransport und Chemiosmose (OP): |
|
| Gesamt | 38 | |||
| Anaerobische Atmung | Paracoccus denitrificans |
{{\text{NO}}_{3}}^{-},{\text{SO}}_{4}^{-2},{\text{Fe}}^{+3},{\text{CO}}_{2}, andere Anorganika |
EMP-Glykolyse (SLP) Krebszyklus (SLP) Elektronentransport und Chemiosmose (OP): |
1-32 |
| Gesamt | 5-36 | |||
| Fermentation | Candida albicans |
Organische Stoffe (gewöhnlich Pyruvat) |
EMP-Glykolyse (SLP) Fermentation |
|
| Gesamt | 2 | |||
Mikrobielle Fermentationsprozesse wurden vom Menschen manipuliert und werden in großem Umfang bei der Herstellung verschiedener Lebensmittel und anderer kommerzieller Produkte verwendet, einschließlich Pharmazeutika. Die mikrobielle Fermentation kann auch für die Identifizierung von Mikroben zu diagnostischen Zwecken nützlich sein.
Die Fermentation durch einige Bakterien, wie die in Joghurt und anderen gesäuerten Lebensmitteln, und durch Tiere in Muskeln bei Sauerstoffmangel, ist die Milchsäurefermentation. Die chemische Reaktion der Milchsäuregärung läuft wie folgt ab:
\text{Pyruvat + NADH}\text{\stackrel{}{\leftrightarrow }\text{\text{Milchsäure + NAD}}^{\text{+}}
Bakterien mehrerer grampositiver Gattungen, darunter Lactobacillus, Leuconostoc und Streptococcus, werden als Milchsäurebakterien (LAB) bezeichnet, und verschiedene Stämme sind in der Lebensmittelproduktion wichtig. Bei der Herstellung von Joghurt und Käse denaturiert das durch die Milchsäuregärung erzeugte stark saure Milieu die in der Milch enthaltenen Proteine, so dass sie sich verfestigen. Wenn Milchsäure das einzige Fermentationsprodukt ist, spricht man von homolaktischer Fermentation; dies ist der Fall bei Lactobacillus delbrueckii und S. thermophiles, die in der Joghurtherstellung verwendet werden. Viele Bakterien führen jedoch eine heterolaktische Gärung durch, bei der eine Mischung aus Milchsäure, Ethanol und/oder Essigsäure und CO2 entsteht, weil sie den verzweigten Pentosephosphatweg anstelle des EMP-Weges für die Glykolyse nutzen. Ein wichtiger heterolaktischer Fermenter ist Leuconostoc mesenteroides, der zum Säuern von Gemüse wie Gurken und Kohl verwendet wird, um Essiggurken bzw. Sauerkraut herzustellen.
Milchsäurebakterien sind auch medizinisch wichtig. Die Herstellung eines Milieus mit niedrigem pH-Wert im Körper hemmt die Ansiedlung und das Wachstum von Krankheitserregern in diesen Bereichen. Zum Beispiel besteht die vaginale Mikrobiota größtenteils aus Milchsäurebakterien, aber wenn diese Bakterien reduziert sind, können sich Hefepilze vermehren und eine Hefepilzinfektion verursachen. Außerdem sind Milchsäurebakterien wichtig für die Gesunderhaltung des Magen-Darm-Trakts und als solche der Hauptbestandteil von Probiotika.
Ein weiterer bekannter Fermentationsprozess ist die Alkoholgärung, bei der Ethanol entsteht. Die Ethanolfermentationsreaktion ist in Abbildung 1 dargestellt. In der ersten Reaktion spaltet das Enzym Pyruvat-Decarboxylase eine Carboxylgruppe von Pyruvat ab, wodurch CO2-Gas freigesetzt wird und das Zweikohlenstoffmolekül Acetaldehyd entsteht. Bei der zweiten Reaktion, die durch das Enzym Alkoholdehydrogenase katalysiert wird, wird ein Elektron von NADH auf Acetaldehyd übertragen, wobei Ethanol und NAD+ entstehen. Die Ethanolgärung von Pyruvat durch die Hefe Saccharomyces cerevisiae wird bei der Herstellung von alkoholischen Getränken verwendet und lässt auch Brotprodukte durch die CO2-Produktion aufgehen. Außerhalb der Lebensmittelindustrie ist die Ethanolgärung von pflanzlichen Produkten wichtig für die Herstellung von Biokraftstoffen.
Abbildung 1. Die chemischen Reaktionen der Alkoholgärung sind hier dargestellt. Die Ethanolgärung ist wichtig für die Herstellung von alkoholischen Getränken und Brot.
Neben der Milchsäuregärung und der Alkoholgärung gibt es in Prokaryonten viele weitere Fermentationsmethoden, die alle dem Zweck dienen, eine ausreichende Versorgung mit NAD+ für die Glykolyse sicherzustellen (Tabelle 2). Ohne diese Wege würde die Glykolyse nicht stattfinden und es würde kein ATP aus dem Abbau von Glukose gewonnen werden. Es ist anzumerken, dass bei den meisten Gärungsformen neben der homolaktischen Gärung Gas entsteht, in der Regel CO2 und/oder Wasserstoff. Viele dieser verschiedenen Arten von Fermentationswegen werden auch in der Lebensmittelproduktion genutzt, und jede führt zur Produktion verschiedener organischer Säuren, die zum einzigartigen Geschmack eines bestimmten fermentierten Lebensmittels beitragen. Die Propionsäure, die bei der Propionsäuregärung entsteht, trägt zum Beispiel zum unverwechselbaren Geschmack von Schweizer Käse bei.
Einige Fermentationsprodukte sind auch außerhalb der Lebensmittelindustrie von wirtschaftlicher Bedeutung. Bei der Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation entstehen zum Beispiel chemische Lösungsmittel wie Aceton und Butanol. Komplexe organische pharmazeutische Verbindungen, die in Antibiotika (z. B. Penicillin), Impfstoffen und Vitaminen verwendet werden, werden durch Mischsäuregärung hergestellt. Fermentationsprodukte werden im Labor verwendet, um verschiedene Bakterien zu diagnostischen Zwecken zu unterscheiden. So sind z. B. Darmbakterien für ihre Fähigkeit bekannt, eine Mischsäuregärung durchzuführen und dabei den pH-Wert zu senken, was mit einem pH-Indikator nachgewiesen werden kann. In ähnlicher Weise kann auch die bakterielle Produktion von Acetoin während der Butandiol-Fermentation nachgewiesen werden. Die Gasproduktion bei der Fermentation kann auch in einem umgekehrten Durham-Röhrchen beobachtet werden, das das produzierte Gas in einer Brühkultur auffängt.
Mikroben können auch nach den Substraten unterschieden werden, die sie fermentieren können. So kann E. coli beispielsweise Laktose vergären und dabei Gas bilden, während einige seiner nahen gramnegativen Verwandten dies nicht können. Die Fähigkeit, den Zuckeralkohol Sorbit zu fermentieren, wird zur Identifizierung des pathogenen enterohämorrhagischen E. coli-Stamms O157:H7 verwendet, da er im Gegensatz zu anderen E. coli-Stämmen nicht in der Lage ist, Sorbit zu fermentieren. Schließlich unterscheidet die Mannitol-Fermentation den Mannitol-fermentierenden Staphylococcus aureus von anderen nicht Mannitol-fermentierenden Staphylokokken.
| Tabelle 2. Übliche Fermentationswege | |||
|---|---|---|---|
| Pfad | Endprodukte | Beispiel Mikroben | Kommerzielle Produkte |
| Aceton-Butanol-Ethanol | Aceton, Butanol, Ethanol, CO2 | Clostridium acetobutylicum | Gewerbliche Lösungsmittel, Benzinersatz |
| Alkohol | Ethanol, CO2 | Candida, Saccharomyces | Bier, Brot |
| Butandiol | Formel- und Milchsäure; Ethanol; Acetoin; 2,3-Butandiol; CO2; Wasserstoffgas | Klebsiella, Enterobacter | Chardonnaywein |
| Buttersäure | Buttersäure, CO2, Wasserstoffgas | Clostridium butyricum | Butter |
| Milchsäure | Milchsäure | Streptococcus, Lactobacillus | Sauerkraut, Joghurt, Käse |
| Mischsäure | Essigsäure, Ameisensäure, Milchsäure und Bernsteinsäure; Ethanol, CO2, Wasserstoffgas | Escherichia, Shigella | Essig, Kosmetik, Pharmazeutika |
| Propionsäure | Essigsäure, Propionsäure, CO2 | Propionibacterium, Bifidobacterium | Schweizer Käse |
Think about It
- Wann würde eine metabolisch vielseitige Mikrobe eher Fermentation als Zellatmung betreiben?
Identifizierung von Bakterien mit Hilfe von API-Testpanels
Die Identifizierung eines mikrobiellen Isolats ist für die richtige Diagnose und die angemessene Behandlung von Patienten unerlässlich. Wissenschaftler haben Techniken entwickelt, um Bakterien anhand ihrer biochemischen Merkmale zu identifizieren. In der Regel untersuchen sie entweder die Verwendung bestimmter Kohlenstoffquellen als Substrate für die Fermentation oder andere Stoffwechselreaktionen, oder sie identifizieren Fermentationsprodukte oder bestimmte Enzyme, die bei den Reaktionen vorhanden sind. In der Vergangenheit haben Mikrobiologen einzelne Reagenzgläser und Platten verwendet, um biochemische Tests durchzuführen. Heute verwenden Wissenschaftler, vor allem in klinischen Labors, jedoch immer häufiger Einweg-Multitestplatten aus Kunststoff, die eine Reihe von Miniatur-Reaktionsröhrchen enthalten, von denen jedes in der Regel ein spezifisches Substrat und einen pH-Indikator enthält. Nach der Beimpfung der Testtafel mit einer kleinen Probe der betreffenden Mikrobe und der Inkubation können die Wissenschaftler die Ergebnisse mit einer Datenbank vergleichen, die die erwarteten Ergebnisse für spezifische biochemische Reaktionen für bekannte Mikroben enthält, und so eine schnelle Identifizierung einer Probenmikrobe ermöglichen. Diese Testgruppen haben es den Wissenschaftlern ermöglicht, die Kosten zu senken und gleichzeitig die Effizienz und Reproduzierbarkeit zu verbessern, indem sie eine größere Anzahl von Tests gleichzeitig durchführen.
Viele kommerzielle, miniaturisierte biochemische Testgruppen decken eine Reihe klinisch wichtiger Gruppen von Bakterien und Hefen ab. Eines der frühesten und beliebtesten Testpanels ist das in den 1970er Jahren entwickelte Analytical Profile Index (API)-Panel. Nach einer grundlegenden Laborcharakterisierung eines bestimmten Stammes, wie z. B. der Bestimmung seiner Gram-Morphologie, kann ein entsprechender Teststreifen verwendet werden, der 10 bis 20 verschiedene biochemische Tests zur Differenzierung von Stämmen innerhalb dieser mikrobiellen Gruppe enthält. Derzeit können mit den verschiedenen API-Streifen mehr als 600 aerobe und anaerobe Bakterienarten und etwa 100 verschiedene Hefearten schnell und einfach identifiziert werden. Anhand der Farben der Reaktionen bei Vorhandensein von Stoffwechselendprodukten, die auf die Anwesenheit von pH-Indikatoren zurückzuführen sind, wird aus den Ergebnissen ein Stoffwechselprofil erstellt (Abbildung 2). Mikrobiologen können dann das Profil der Probe mit der Datenbank vergleichen, um die spezifische Mikrobe zu identifizieren.
Abbildung 2. Der API 20NE-Teststreifen wird zur Identifizierung spezifischer Stämme gramnegativer Bakterien außerhalb der Enterobacteriaceae verwendet. Hier ist ein API 20NE-Teststreifenergebnis für Photobacterium damselae ssp. piscicida.
Klinischer Fokus: Alex, Teil 2
Dieses Beispiel setzt die Geschichte von Alex fort, die in Energie, Materie und Enzyme begann.
Viele von Alex‘ Symptomen passen zu verschiedenen Infektionen, einschließlich Grippe und Lungenentzündung. Seine trägen Reflexe, seine Lichtempfindlichkeit und sein steifer Nacken deuten jedoch auf eine mögliche Beteiligung des zentralen Nervensystems hin, vielleicht auf eine Meningitis. Eine Meningitis ist eine Infektion der das Gehirn und das Rückenmark umgebenden Liquorflüssigkeit (CSF), die eine Entzündung der Hirnhäute, der schützenden Schichten um das Gehirn, verursacht. Eine Meningitis kann durch Viren, Bakterien oder Pilze verursacht werden. Obwohl alle Formen der Meningitis ernst sind, ist die bakterielle Meningitis besonders schwerwiegend. Bakterielle Meningitis kann durch verschiedene Bakterien verursacht werden, aber das Bakterium Neisseria meningitidis, ein gramnegativer, bohnenförmiger Diplokokkus, ist eine häufige Ursache und führt bei 5 bis 10 % der Patienten innerhalb von 1 bis 2 Tagen zum Tod.
Angesichts des potenziellen Schweregrads von Alex‘ Zustand riet sein Arzt seinen Eltern, ihn in das Krankenhaus in der gambischen Hauptstadt Banjul zu bringen und ihn dort auf eine mögliche Meningitis untersuchen und behandeln zu lassen. Nach einer dreistündigen Fahrt zum Krankenhaus wurde Alex sofort eingeliefert. Die Ärzte entnahmen eine Blutprobe und führten eine Lumbalpunktion durch, um seinen Liquor zu untersuchen. Außerdem verabreichten sie ihm sofort das Antibiotikum Ceftriaxon, das Mittel der Wahl zur Behandlung einer durch N. meningitidis verursachten Meningitis, ohne die Ergebnisse der Labortests abzuwarten.
- Wie können biochemische Tests zur Bestätigung der Identität von N. meningitidis eingesetzt werden?
- Warum haben die Ärzte beschlossen, Alex Antibiotika zu verabreichen, ohne die Testergebnisse abzuwarten?
Wir werden auf späteren Seiten auf Alex‘ Beispiel zurückkommen.
Schlüsselkonzepte und Zusammenfassung
- Die Fermentation verwendet ein organisches Molekül als endgültigen Elektronenakzeptor, um NAD+ aus NADH zu regenerieren, so dass die Glykolyse fortgesetzt werden kann.
- Bei der Fermentation ist kein Elektronentransportsystem beteiligt, und es wird kein ATP direkt durch den Fermentationsprozess gebildet. Fermenter stellen sehr wenig ATP her – nur zwei ATP-Moleküle pro Glukosemolekül während der Glykolyse.
- Mikrobielle Fermentationsprozesse wurden für die Herstellung von Lebensmitteln und Arzneimitteln sowie für die Identifizierung von Mikroben verwendet.
- Bei der Milchsäuregärung nimmt Pyruvat Elektronen von NADH auf und wird zu Milchsäure reduziert. Mikroben, die eine homolaktische Gärung durchführen, produzieren nur Milchsäure als Fermentationsprodukt; Mikroben, die eine heterolaktische Gärung durchführen, produzieren eine Mischung aus Milchsäure, Ethanol und/oder Essigsäure und CO2.
- Die Milchsäureproduktion durch die normale Mikrobiota verhindert das Wachstum von Krankheitserregern in bestimmten Körperregionen und ist wichtig für die Gesundheit des Magen-Darm-Trakts.
- Bei der Ethanolgärung wird Pyruvat zunächst zu Acetaldehyd decarboxyliert (unter Freisetzung von CO2), das dann Elektronen von NADH aufnimmt und Acetaldehyd zu Ethanol reduziert. Die Ethanolgärung wird zur Herstellung von alkoholischen Getränken, zum Aufgehen von Brotprodukten und zur Herstellung von Biokraftstoffen verwendet.
- Fermentationsprodukte (z. B. die Propionsäuregärung) verleihen Lebensmitteln einen besonderen Geschmack. Die Fermentation wird zur Herstellung von chemischen Lösungsmitteln (Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation) und Arzneimitteln (Mischsäure-Fermentation) verwendet.
- Spezifische Arten von Mikroben können nach ihren Fermentationswegen und -produkten unterschieden werden. Mikroben können auch nach den Substraten unterschieden werden, die sie vergären können.
Multiple Choice
Welcher der folgenden Zwecke wird mit der Fermentation verfolgt?
- zur Herstellung von ATP
- zur Herstellung von Kohlenstoffmolekül-Zwischenprodukten für den Anabolismus
- zur Herstellung von NADH
- zur Herstellung von NAD+
Welches Molekül dient typischerweise als letzter Elektronenakzeptor während der Fermentation?
- Sauerstoff
- NAD+
- Pyruvat
- CO2
Welches Fermentationsprodukt ist wichtig, damit Brot aufgeht?
- Ethanol
- CO2
- Milchsäure
- Wasserstoffgas
Welches der folgenden Produkte ist kein kommerziell wichtiges Fermentationsprodukt?
- Ethanol
- Pyruvat
- Butanol
- Penicillin
Fill in the Blank
Die Mikrobe, die für die Ethanolgärung zur Herstellung alkoholischer Getränke verantwortlich ist, ist ________.
________ führt zur Bildung einer Mischung von Gärungsprodukten, einschließlich Milchsäure, Ethanol und/oder Essigsäure und CO2.
Fermentierende Organismen erzeugen ATP durch den Prozess der ________.
Zuordnung
Zuordnen des Fermentationsweges zu dem richtigen Handelsprodukt, das damit hergestellt wird:
| ___Aceton-Butanol-Ethanol-Fermentation | a. Brot |
| ___Alkoholgärung | b. Arzneimittel |
| ___Milchsäuregärung | c. Schweizer Käse |
| ___Mischsäuregärung | d. Joghurt |
| ___Propionsäuregärung | e. industrielle Lösungsmittel |
Think about It
- Warum sind einige Mikroben, einschließlich Streptococcus spp, nicht in der Lage, aerobe Atmung zu betreiben, auch nicht in Gegenwart von Sauerstoff?
- Wie kann die Gärung zur Unterscheidung verschiedener Arten von Mikroben verwendet werden?
- Das Bakterium E. coli ist in der Lage, aerobe Atmung, anaerobe Atmung und Gärung zu betreiben. Wann würde es jeden Prozess durchführen und warum? Wie wird ATP in jedem Fall hergestellt?
